Поддержание климата в шкафах автоматики. Тепловой расчет шкафа (Калькулятор)

В современном мире развивающейся автоматизации постоянно стоит вопрос - как продлить срок службы используемого оборудования, чтобы оно работало без сбоев и не вышло из строя раньше времени. Оптимальным решением этой задачи является монтаж оборудования в шкаф управления, ведь основная функция шкафа - это защита установленных приборов от влияния окружающей среды: воды, влаги, пыли и так далее. Правильно подобранный шкаф позволяет защитить оборудование от внешних негативных воздействий.

Расчет температуры обогрева и охлаждения шкафа управления

Однако внутри шкафа также присутствуют факторы, отрицательно влияющие на оборудование. Одним из таких факторов является избыточное тепло. Перегрев довольно частая причина выхода из строя различных устройств. Самым распространенным способом охлаждения оборудования является конвекция — охлаждение потоком воздуха. В этом случае вентиляторы служат наиболее простым и экономным средством отвода тепла.

Другим негативно влияющим фактором внутри шкафа выступает холод. Во-первых, большинство оборудования не рассчитано на работу при сильных морозах, поэтому при установке шкафа в неотапливаемом помещении или на улице, и эксплуатации в зимнее время, необходимо устанавливать в шкаф дополнительный обогрев. Во-вторых, холод создает условие для образования конденсата, а это еще один фактор, который способствует выходу оборудования из строя. Существует так называемая точка росы, это температура, ниже которой при определенной влажности воздуха на поверхности образуется конденсат. Чтобы избежать выпадения конденсата на стенках внутри шкафа автоматики, в шкафу необходимо поддерживать температуру выше точки росы. В Таблице 1 представлены значения точки росы для различных показаний окружающей температуры и влажности воздуха. Использование обогревателей в этих случаях позволит избежать такой проблемы.

Таблица 1 — Точка росы
Относительная влажность среды, %Температура окружающей среды, °C
2025303540455055
40611151924283337
50914192328323741
601217212631364045
701419242934384348
801621263136414651
901823283338434853
1002025303540455055

Чтобы нейтрализовать все эти факторы и обеспечить долгую службу оборудования, установленного в шкафу, необходимо корректно рассчитать и подобрать комплектующие для поддержания климата внутри шкафа, при этом следует учитывать ряд важных моментов.

Для начала необходимо определить размеры шкафа управления и место его установки. Эти данные необходимы для вычисления эффективной поверхности теплообмена, поверхности, которая может рассеивать тепло в окружающую атмосферу. Чем больше размер шкафа, тем большее количество тепла будет рассеиваться с его поверхности. Соответственно, если необходимо охлаждать автоматику в таком шкафу, нам потребуется меньший объем воздуха, чем если бы мы установили то же самое оборудование в более компактный шкаф. А с обогревом возникает обратная ситуация, обогреть компактный шкаф, проще чем большой. Рассчитать эффективную поверхность теплообмена можно по формулам, приведенным в Таблице 2. Данные формулы взяты из стандарта МЭК 60890, этот документ содержит методику расчета теплообмена при помощи конвекции и естественной вентиляции.

Таблица 2 — Эффективная поверхность теплообмена
Место установки шкафаФормула расчета
Отдельно стоящий шкаф A = 1,8 × В × (Ш + Г) + 1,4 × Ш × Г
Шкаф смонтирован на стене A = 1,4 × Ш × (В + Г) + 1,8 × Г × В
Крайний шкаф, стоящий в ряде A = 1,4 × Г ·× (В + Г) + 1,8 × Ш × В
Крайний шкаф, смонтирован на стене A = 1,4 × В × (Ш + Г) + 1,4 × Ш × Г
Средний шкаф, стоящий в ряде A = 1,8 × Ш × В + 1,4 × Ш × Г + Г × В
Средний шкаф, смонтирован на стене A = 1,4 × Ш × (В + Г) + Г × В
Средний шкаф, смонтирован на стене, под козырьком A = 1,4 × Ш × В + 0,7 × Ш × Г + Г × В

На теплоотвод влияет место установки шкафа. Так, отдельно стоящий шкаф отдает больше тепла в окружающую атмосферу, чем шкаф смонтированный на стене или установленный в один ряд с другими шкафами. Еще одним параметром, влияющим на теплоотвод, является плотность теплового потока, она зависит от константы воздуха. Простыми словами, это скорость, с которой шкаф рассеивает тепло. Этот параметр зависит от атмосферного давления, чем ниже давление, тем хуже рассеивается тепло. А атмосферное давление, в свою очередь, зависит от высоты над уровнем моря. Соответственно, получаем такую зависимость: плотность теплового потока обратно пропорциональна высоте над уровнем моря. Чем выше над уровнем моря установлен шкаф, тем хуже он будет рассеивать тепло. Для средней полосы России высота над уровнем моря составляет 170 метров, и константа воздуха для этого региона будет равна 3,2 м³К/Втч.

Помимо размеров и места установки необходимо учитывать из какого материала изготовлен шкаф. Разный материал имеет разный коэффициент теплоотдачи. Этот параметр показывает какое количество теплоты в единицу времени переходит от более нагретого теплоносителя к менее нагретому через 1м² эффективной поверхности теплообмена. Например, листовая крашеная сталь имеет коэффициент 5,5 Вт/м²К, у нержавеющей стали он равен 4,5 Вт/м²К, а коэффициент алюминия равен 12 Вт/м²К. Если мы возьмем два шкафа одинакового размера, но из разного материала — один из алюминия, второй из стали, то проще будет охладить шкаф из алюминия, так как он имеет больший коэффициент теплоотдачи и через его поверхность будет рассеиваться большее количество тепла, чем с поверхности стального шкафа.

Одним из основных пунктов при выборе шкафа и комплектующих для поддержания климата является само оборудование, которое будет установлено в наш шкаф. Если внутри шкафа смонтированы приборы, выделяющие большое количество тепла: частотники, блоки питания, трансформаторы или другие подобные устройства, то в этом случае нужно обязательно провести расчет и определить требования по дополнительному охлаждению или обогреву шкафа.

Расчет температуры внутри шкафа осуществляется по формуле:

T r = Q v k A + T u T_r= {Q_v} over {k cdot A} + T_u

где:
Tr – температура внутри шкафа;
Qv – тепловыделение установленного оборудования;
k – коэффициент теплоотдачи;
A – эффективная поверхность теплообмена;
Tu – окружающая температура.

Если тепловыделение установленного оборудования неизвестно, его можно самостоятельно посчитать. Данные для расчета тепловыделения различных устройств приведены в Таблице 3.

Таблица 3 — Тепловыделение различного оборудования
УстройствоФормула для расчетаОписание расчета
Преобразователи частоты Qпч = Q × 0,05 Суммарная мощность всех ПЧ умножить на 0,05
Блоки питания Qбп = Q × 0,1 Суммарная мощность всех БП умножить на 0,1
Автоматы Qа = I × 0,2 Суммарный ток всех автоматов умножить на 0,2Вт/А
Пускатели Qп = I × 0,4 Суммарный ток всех пускателей умножить на 0,4Вт/А
Трансформаторы Qт = Q × 0,1 Суммарная мощность всех трансформаторов умножить на 0,1
Твердотельные реле Qр = I × 1,2 Суммарный ток всех нагрузок по каждой фазе умножить на 1,2

Из этих данных рассчитывается тепловыделение Qv (Вт) внутри шкафа, результат суммируется Qv = Qпч + Qбп + Qа + Qп + Qт + Qр.

После проведения данного расчета станет известна температура внутри шкафа, это позволит определить дальнейшие действия. Если расчетная температура ниже необходимой температуры (Tu < Ti), то нам потребуется дополнительный обогрев.

Мощность обогрева шкафа рассчитывается по формуле:

P n = A k ( T u T i ) P_n=A cdot k cdot (T_u-T_i)

где:
Pn – необходимая мощность обогрева;
A – эффективная поверхность теплообмена;
k – коэффициент теплоотдачи;
Tu – окружающая температура;
Ti – необходимая температура.

Если расчетная температура выше необходимой температуры (Tu > Ti), то нам потребуется дополнительно охлаждение. Так как охлаждение происходит при помощи обдува, следует помнить, что вентилятор не сможет охладить шкаф ниже окружающей температуры, это физически невозможно.

Расчет необходимого для охлаждения объема воздуха в шкафу производится по формуле:

B = Q v f T i T u B = {Q_v cdot f} over {T_i - T_u}

где:
B – необходимый объем воздуха;
Qv – тепловыделение установленного оборудования;
f – константа воздуха (для средней полосы России равна 3,2 м³К/Втч);
Tu – окружающая температура;
Ti – необходимая температура.

При использовании данных расчетов следует помнить, что на вентиляторах и решетках установлен защитный фильтр и он имеет свойство засоряться, особенно если в воздухе присутствует пыль. Как правило, на большинстве производств чистота воздуха не идеальна. При засорении фильтрующего элемента падает производительность установленных вентиляторов, воздухообмен уменьшается и это может привести к перегреву оборудования. Поэтому необходимо уделять особое внимание состоянию фильтров и производить их своевременную замену.

Когда шкаф выбран, произведен температурный расчет и подобраны климатические компоненты, очень важным моментом в поддержании климата является правильная установка этих компонентов. Вентиляторы рекомендуется всегда устанавливать, так чтобы они нагнетали воздух в нижнюю часть шкафа и комплектовать шкаф выходными решетками с фильтрами в верхней части. Вентиляторы поставляются собранными в виде нагнетающего модуля, то есть они засасывают воздух внутрь шкафа и обдувают установленное оборудование. Благодаря этому в шкафу создаётся избыточное давление чистого воздуха, предотвращающее попадание грязного воздуха внутрь через возможные дефекты уплотнения врезанного оборудования. При установке вентиляторов необходимо обратить внимание на воздушный поток собственных вентиляторов в оборудовании. Следует убедиться, что потоки воздуха от вентиляторов и компонентов внутри шкафа не имеют отрицательного воздействия друг на друга. Воздух должен выдуваться по диагонали, это способствует равномерному распределению воздуха в корпусе.

При монтаже обогревателей для лучшего распределения тепла их необходимо устанавливать внизу шкафа. Не стоит размещать обогреватели вплотную к другим приборам, чтобы избежать перегрева оборудования. Если обогреватель не имеет защитного кожуха, существует опасность получения ожога. В таких случаях следует устанавливать обогреватель так, чтобы исключить возможность случайного касания радиатора.

Чтобы вентиляторы и обогреватели постоянно не работали, рекомендуется использовать для их управления терморегуляторы или термостаты. Это позволит уменьшить износ, уменьшить энергопотребление, увеличить срок службы и повысить эффективность вентиляторов и обогревателей.

В данной статье мы рассмотрели основные принципы поддержания температуры в шкафах автоматики. Поддержание климата является очень важным моментом для сохранения работоспособности оборудования. Поэтому следует уделять этому особое внимание.

Подбор компонентов в результате расчета по калькулятору климата в шкафах управления

К статье прилагается калькулятор расчета климатических компонентов. При помощи этого калькулятора легко и быстро производится расчет даже теми специалистами, которые в первый раз столкнулись с такой задачей.

В калькуляторе температуры шкафа необходимо заполнить все поля отмеченные зеленым цветом, после ввода всех данных о высоте, глубине, установленном оборудовании, графе обогрев и охлаждение будут показыны расчетные данные для вашего шкафа. Подробная инструкция прилагается к калькулятору в архиве для скачивания.

По итогам расчетов воспользуйтесь готовым комплектом приборов для климатики в шкафах управления. Готовые наборы охлаждения и обогрева шкафов приведены ниже.

Охлаждение до 24 м³/ч

  • 7T.81.0.000.2303 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления кондиционером (диапазон уставок 0...+60 C, 1НО, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 3237.100 Вентилятор TopTherm в комплекте с фильтрующей прокладкой (116,5х116,5мм, воздушный поток 20 м3/ч, 220 VAC, IP54)
  • 7F.20.8.230.1020 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов, замена 7F.50.8.230.1020 (размер 1, 114х114мм, 230VAC, 24м3/ч, 13Вт, IP54)
  • 7F.20.9.024.1020 Finder / Вентилятор с фильтром для электрических щитов, замена 7F.50.9.024.1020 (размер 1, 114х114мм, 24VDC, 24м3/ч, 4Вт, IP54)
  • 3237.200 Решетка с фильтрующей прокладкой (116,5х116,5x16мм, IP54)
  • 7F.02.0.000.1000 Finder Решетка с Фильтром на вытяжке для электрических щитов, замена 7F.05.0.000.1000 (размер 1, 114х114мм, IP54)
  • 07F.15 Finder Фильтрующий элемент (размер 1, IP54)
  • 3321.700 Фильтрующая прокладка для вентиляторов/решеток 116,5х116,5мм (несгораемое хим.волокно, IP 54) 5 шт.
  • 3237.080 Защитный кожух для вентиляторов/решеток 116,5х116,5мм (нерж.сталь, уплотнение силикон, IP56)

Охлаждение 24...55 м³/ч

  • 7F.20.8.230.2055 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов, замена 7F.50.8.230.2055 (размер 2, 150х150мм, 230VAC, 55м3/ч, 22Вт, IP54)
  • 3238.100 Вентилятор TopTherm в комплекте с фильтрующей прокладкой (148,5х148,5мм, воздушный поток 55 м3/ч, 220 VAC, IP54)
  • 3238.200 Решетка с фильтрующей прокладкой (148,5х148,5х24мм, IP54)
  • 3322.700 Фильтрующая прокладка для вентиляторов/решеток 148,5х148,5мм (несгораемое хим.волокно, IP54) 5 шт.
  • 7F.02.0.000.2000 Finder Решетка с Фильтром на вытяжке для электрических щитов, замена 7F.05.0.000.2000 (размер 2, 150х150мм, IP54)
  • 07F.25 Finder Фильтрующий элемент (размер 2, IP54)
  • 7T.81.0.000.2303 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления кондиционером (диапазон уставок 0...+60 C, 1НО, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 3238.080 Защитный кожух для вентиляторов/решеток 148,5х148,5мм (нерж.сталь, уплотнение силикон, IP56)

Охлаждение 55...105 м³/ч

  • 7F.20.8.230.3100 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов, замена 7F.50.8.230.3100 (размер 3, 204х204мм, 230VAC, 100м3/ч, 22Вт, IP54)
  • 7F.20.9.024.3100 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов, замена 7F.50.9.024.3100 (размер 3, 204х204мм, 24VDC, 100м3/ч, 22Вт, IP54)
  • 3239.100 Вентилятор TopTherm в комплекте с фильтрующей прокладкой (204х204мм, воздушный поток 105 м3/ч, 220 VAC, IP54)
  • 3239.200 Решетка с фильтрующей прокладкой (204х204х24мм, IP54)
  • 3171.100 Фильтрующая прокладка для вентиляторов/решеток 204х204мм (несгораемое хим.волокно, IP54) 5 
  • 7T.81.0.000.2303 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления кондиционером (диапазон уставок 0...+60 C, 1НО, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7F.02.0.000.3000 Finder Решетка с Фильтром на вытяжке для электрических щитов, замена 7F.05.0.000.3000 (размер 3, 204х204мм, IP54)
  • 07F.35 Finder Фильтрующий элемент (размер 3, IP54)

Охлаждение 105...230 м³/ч

  • 7T.81.0.000.2303 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления кондиционером (диапазон уставок 0...+60 C, 1НО, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7F.50.8.230.4230 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов (размер 4, 250х250мм, 230VAC, 230м3/ч, 40Вт, IP54)
  • 7F.50.9.024.4230 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов (размер 4, 250х250мм, 24VDC, 230м3/ч, 26Вт, IP54)
  • 7F.05.0.000.4000 Finder Решетка с фильтром на вытяжке для электрических щитов (размер 4, 250х250мм, IP54)
  • 07F.45 Finder Фильтрующий элемент (размер 4, IP54)

Охлаждение 230...370 м³/ч

  • 7T.81.0.000.2303 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления кондиционером (диапазон уставок 0...+60 C, 1НО, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7F.50.8.230.4370 Finder Вентилятор с фильтром для электрических щитов (размер 4, 250х250мм, 230VAC, 370м3/ч, 70Вт, IP54)
  • 7F.05.0.000.4000 Finder Решетка с фильтром на вытяжке для электрических щитов (размер 4, 250х250мм, IP54)
  • 07F.45 Finder Фильтрующий элемент (размер 4, IP54)

Обогрев до 25 Вт

  • 7T.81.0.000.2403 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления теном (диапазон уставок 0...+60 C, 1НЗ, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7H.51.0.230.0025 Finder  Обогреватель для шкафа (мощность 25 Вт, 110-230V AC/DC, 41х41х125мм)

Обогрев 25...50 Вт

  • 7T.81.0.000.2403 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления теном (диапазон уставок 0...+60 C, 1НЗ, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7H.51.0.230.0050 Finder Обогреватель для шкафа (мощность 50 Вт, 110-230V AC/DC, 41х41х125мм)

Обогрев 50...100 Вт

  • 7T.81.0.000.2403 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления теном (диапазон уставок 0...+60 C, 1НЗ, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7H.51.0.230.0100 Finder Обогреватель для шкафа (мощность 100 Вт, 110-230V AC/DC, 63х70х140мм)
  • 3105.360 Обогреватель для шкафа (мощность 86-100 Вт, 110-240VAC, 90х165х75мм)

Обогрев 100...150 Вт

  • 7T.81.0.000.2403 Finder Регулятор температуры внутри шкафа (термостат) для управления теном (диапазон уставок 0...+60 C, 1НЗ, 10A, ширина 17.5мм, IP20 )
  • 3110.000 Регулятор внутренней температуры шкафа (термостат) (нагрев/охлаждение, диапазон уставок +5...+60 С, 10А/5А, 24-230VAC/24-60VDC, монтаж на DIN-рейку)
  • 7H.51.0.230.0150 Finder Обогреватель для шкафа (мощность 150 Вт, 110-230V AC/DC, 63х70х220мм)
  • 3105.370 Обогреватель для шкафа (мощность 130-150 Вт, 110-240VAC, 90х180х75мм)

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.


 Наверх